压电家族桃花源记.pdf
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1、 70 Univ.Chem.2023,38(7),7075 收稿:2022-07-18;录用:2022-11-29;网络发表:2022-12-19*通讯作者,Email: 基金资助:黑龙江省高等教育教学改革项目(SJGY20210307);哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学教学发展基金项目(课程思政类 210214)科普 doi:10.3866/PKU.DXHX202207067 压电家族桃花源记压电家族桃花源记 郑浩清,邢畅畅,吕宏帅,周福康,孙净雪*哈尔滨工业大学化工与化学学院,哈尔滨 150001 摘要:摘要:压电材料因其独特的压电转化性能而一直广泛受到研究者的关注。自发现石英至今的一个多的世
2、纪里,压电材料的种类已经数不胜数,且其应用也渗透入了各行各业。本文以石英引入话题,介绍了压电效应的原理,压电材料的发展状况及其应用情况,并对其未来进行展望。希望通过对一些日常现象的原理性解释,激发读者对化学尤其是材料化学的兴趣。关键词:关键词:压电材料;原理;分类;应用 中图分类号:中图分类号:G64;O6 The Peach Blossom Valley of the Piezoelectric Family Haoqing Zheng,Changchang Xing,Hongshuai Lv,Fukang Zhou,Jingxue Sun*School of Chemical Engine
3、ering and Chemistry,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China.Abstract:Piezoelectric materials have been extensively researched because of their unique piezoelectric conversion properties.More than a century since the discovery of quartz,several types of piezoelectric materials with applica
4、tion in various fields have been reported.This paper introduces the topic of quartz and the principle of the piezoelectric effect,presents the development status and application of piezoelectric materials,and predicts its future.Hopefully,the readers will be interested in chemistry,especially materi
5、als chemistry,with explanations based on the principles of some everyday phenomena.Key Words:Piezoelectric materials;Principle;Classification;Application 1 邂逅石英开启压电之门邂逅石英开启压电之门 在我十岁的时候,化学的世界还没有朝我敞开大门,游玩耍乐是我每天的必修课。有一次,天色渐晚,我和小乐在河道边玩耍,“嘿!”他朝我喊道,“给你看看我的最新发现。”说着他把这石头用力一碰,一道明黄的火花猛地跳了出来,在夜幕下格外明亮,空气中还弥漫着一股
6、淡淡的火药味。“怎么样,而且我发现只有这种石头才能打火,别的都不行嘞。”年少的我大为震惊,想不到这两块河边随处可见的石头还有这样的妙用。正当我接过石头乐此不疲地进行着“实验”时,一道怒气冲冲的声音从我手中传来:“你们有完没完?!”这石头竟然开口说起话来。我吓得急忙将手中的石头扔了出去,可谁知这石头竟好似长了双脚一般,越滚越远,直至几乎消失在我们视线当中。我和小乐对视一眼,“追!”No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202207067 71河道依山谷而下,两岸都是深山,好在路不算难走。不知追了几里地,我们恍然来到了一个全然未涉足过的梦幻之地:遍地都是不常见的怪石,有五彩缤纷的水晶,
7、有满是孔洞的岩块,有光滑立方的金属终于在一狭窄山口处,这石头定了下来。光芒一闪竟然变成了一个少年人模样。与此同时洞中走出一白发苍苍老者,朝我们微微一笑,道:“能找到这里也算是缘分,来领你们进去看看吧。”在好奇心的驱动下我们跟上前,往里走去。走着走着终于我们忍不住好奇心,问:“你们是谁,这是哪?”老者还没来得及说话,便被少年抢着说道:“哼!我们是石英,这是我爷爷。”它的语气听起来有些愤懑,似乎为刚才的追逐而不满。“哦哦!我知道!我在科学书上见过你。可是书上的石头是透明的(图1),怎么你是白色的啊。”发小抢着说道。“哼,那是因为我的身体有一些别的成分。纯净的我当然是透明的,就像我的爷爷一样。我的主
8、要成分是二氧化硅(SiO2),但是它在我的身体里只占到70%左右1,当然看起来不是透明的啦。事实上,我们石英族矿物五颜六色的都有呢。我们本质结构是由硅(Si)原子和氧(O)原子搭建而成,4个氧原子组成一个四面体,他们连接着处于四面体中央的硅原子。而每一个氧原子又与其他四面体相连,这样就拼成了我的骨架(图2)。纯净的二氧化硅是透明的。至于为什么有其他颜色,那是因为掺有其他元素。比如紫水晶就是因为含有微量的锰、钛元素”“那你为什么可以打出火花来呢?小石英。”我不得不打断它的话,相比什么二氧化硅,我更关心这个直接的问题。“啊,那可和我的晶体结构有关系。我的晶体结构没有对称中心,具有压电效应。不过非中
9、心对称的晶体中具有压电效应的只有20种,而我们石英正好是其中一种。”“压电效应?什么是压电效应啊?”图图1 石英晶体石英晶体图图2 石英结构图石英结构图2 压电效应火花诞生的原理压电效应火花诞生的原理“在我的身体里存在正负两种电荷(图3),在正常情况下,这两种电荷正好分布在硅氧正六边形的顶角上,他们的中心相互重合,对外不显电性。但是当你们击打我的时候,我发生了形变,正负电荷不再重合,偶极矩之和不为零,表面就出现了电荷。更仔细地说,当我受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x轴方向将产生压缩变形,正、负离子的相对位置也随之变动。此时正、负电荷重心不再重合;当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上也
10、出现电荷。如果沿极性z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正、负电荷重心仍保持重合,这表明沿z轴方向施加作用力,晶体也不会产生压电效应。当我表面电荷达到一定程度,就会发生空气放电的现象,也就是你们看到的火花。而这种现象,它就叫做压电效应2。而且我还偷偷告诉你们,当我通上电的时候,我也会发生变形哦,也就是说这个过程是可逆的,反着的叫做逆压电效应。”石英一下就打开了话匣子。72 大 学 化 学 Vol.38(a)(b)(c)图图3 石英压电效应原理图石英压电效应原理图(a)不受力状态;(b)x轴方向受力;(c)y轴方向受力 可是那时的我哪里听得懂这些,这些陌生的名词
11、我本应到高中才接触,但却在这时突然闯入我的世界,弄得我头脑一阵发懵。还好发小替我打破了不知如何回答的尴尬:“这种打出火花的特殊能力肯定只有你这种石头才有的,对吧?”他显然想印证他刚刚的猜想。“你叫谁石头啊!收起你那不尊敬的称呼。我可是来自尊贵的压电家族。”它顿时变得气呼呼的,扭过头不搭理我们。3 百年传承百年传承庞大的压电家族庞大的压电家族 恰好此时前方亮光猛地放大我们来到了这山口的出口处,视野一下子变得开阔起来。这山内竟然与山外的荒蛮大不相同:土地平坦,房屋整齐,人来人往,俨然是一处怡然自乐的村庄景象。于是石英爷爷便顺着我们的疑问介绍了起来,“这种能力当然可不止我们石英有,事实上,有着压电效
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